在不久前出版的《自然》(Nature)雜志上，一篇題為《距離鋰電子電池革命僅余10年》(Ten years left to redesign lithium-ionbatteries)的文章指出，鋰離子電池性能和價格的演進(jìn)速度正在放緩。如果不加大對基于儲量豐富的鐵、銅等材料的電極材料的研究，電動汽車的大規(guī)模發(fā)展將受到限制。

電動汽車需要功能強(qiáng)大、重量輕、價格實(shí)惠的電池。最好的選擇是商業(yè)化的鋰離子電池——它們相對緊湊和穩(wěn)定。但它們?nèi)赃^于笨重和昂貴，無法廣泛使用。

二十年來，可充電鋰離子電池的性能穩(wěn)步提高。容量大小的電池組所儲存的能量是原來的三倍多，從每升200瓦時(Wh - 1)增加到700瓦時(Wh - 1)。成本下降了30倍，降至每千瓦時150美元左右。但這仍高于美國能源部設(shè)定的每千瓦時100美元的負(fù)擔(dān)能力目標(biāo)。對于電動汽車(50-100千瓦時)來說，電池足夠強(qiáng)大，但仍然重達(dá)600公斤左右，占用500升空間。

隨著傳統(tǒng)技術(shù)接近基本極限，技術(shù)進(jìn)步的步伐正在放緩。在電極材料晶體結(jié)構(gòu)的間隙中可以儲存的電荷量接近理論最大值。預(yù)計的市場增長不會大幅降低價格——市場已經(jīng)很大了。

研究人員警告說，必須盡快找到鈷、鎳和其他稀有金屬的替代品，以滿足電動汽車電池日益增長的需求，因?yàn)樗鼈兊南∪闭谕聘邇r格:在過去兩年中，鈷、鎳和其他稀有金屬的價格翻了兩番，從每公斤22美元漲到了每公斤81美元。鑒于生產(chǎn)商偷工減料、違反環(huán)保和安全法規(guī)，科學(xué)家和工程師們被敦促開發(fā)廉價、常見的金屬，如鐵和銅，作為潛在的替代品。

研究人員表示，鋰離子電池通過在兩個電極之間移動鋰離子來工作。從陽極流向陰極的離子放電電流，為汽車提供動力。當(dāng)電池充電時，鋰離子會回流。

在如今用于電動汽車的商用電池中，鋰離子被保存在構(gòu)成電極的晶體中的微小空隙中(這些晶體被稱為插層電極)。陽極通常由石墨制成，陰極由金屬氧化物制成。用于電極的材料，特別是稀有金屬，如鈷和鎳，既稀有又昂貴。

在我們看來，最有希望的替代方法是在電極中使用轉(zhuǎn)換材料。銅、鐵、氟化物和硅與鋰離子發(fā)生反應(yīng)。轉(zhuǎn)換陰極中的過渡金屬可以容納比標(biāo)準(zhǔn)陰極多6倍的鋰原子。這種材料膨脹得更多，能夠容納更多的鋰原子。

如果沒有任何變化，20年內(nèi)需求將超過產(chǎn)量。我們預(yù)計鈷的價格將在2030年前上漲，鎳的價格將在2037年或更早的時候上漲。

汽車制造商和政府預(yù)計，到2025年，每年將生產(chǎn)1000萬到2000萬輛電動汽車。如果每個汽車電池需要10公斤的鈷，到2025年，電動汽車每年需要10 - 20萬噸的鈷——這是世界目前產(chǎn)量的大部分。同樣地，每年需要40 - 80萬噸鎳，占今天所用金屬的20-40%。當(dāng)卡車、公共汽車、飛機(jī)和船只改用電池供電時，還需要更多的電力。

到2050年，每年生產(chǎn)5000萬到8000萬輛電動汽車將需要50萬到80萬噸鈷。到2030年以后，這將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的采礦能力。同樣，到2050年，鎳的需求量將增加2-3倍。到本世紀(jì)30年代中期，鎳的短缺將很明顯。

回收不能補(bǔ)充物資。鋰離子電池的使用壽命為15-20年，是鉛酸電池5-7年壽命的3倍。煉油廠可能會開采質(zhì)量較差的礦石，尤其是在價格上漲的情況下。但更高的加工成本將推高價格。一旦供應(yīng)達(dá)到峰值，我們估計電動汽車電池的價格可能會上漲超過1000美元。如果用更少的金屬制成陰極，“鈷峰值”可能會推遲幾年。但是，使用更少鈷的陰極材料正在開發(fā)中，降解更快，需要更頻繁地更換。